Script 6. November 2006

Anorganische Chemie I
Dr. Egbert Figgemeier
30. Oktober 2006
Alkalimetalle - Nachtrag
Glas:
Erdalkalimetalle
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
Erdalkalimetalle – Physikalische Eigenschaften
•Metallische Leiter.
•Sehr hohee Schmelzpunkt (1560 K für Be)
•Im “Prinzip” periodische Eigenschafter (Ausnahme: Ba hat kleinerer IE
als Ra – “Effekt des inerten 6s-Paares”).
•Charakteristische Flammenfärbung: Ca – orange rot; Sr – Karminrot;
Ba – Apfelgrün.
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
Erdalkalimetalle – Physikalische Eigenschaften
Radioaktivität:
90Sr
•β-Strahler.
•Spaltprodukt des Urans aus nuklearem
Abfall und Atomunfällen
•Einlagerung in Knochen mit
Calciumphosphat.
226Ba
•α-Strahler.
•Zerfallsprodukt des Urans.
•Wurde früher zur Krebsbehandlung eingesetzt.
Erdalkalimetalle - Vorkommen
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Ra
•Beryll (Be3Al2[Si6O18]); Smaragd, Aquamarin
•MgCl2; Dolomit (CaCO3⋅ MgCO3); Magnesit
(MgCO3)
Dolomit (CaCO3⋅ MgCO3); Kreide,
Kalkstein, Marmor (CaCO3); Gips
(CaSO4 ⋅2H2O)
•Celestit (SrSO4); Strontianit (SrCO3);
•Baryt (BaSO4)
(in Uranerzen)
Erdalkalimetalle - Vorkommen
Erdalkalimetalle - Herstellung
Be
Be3Al2[Si6O18] + Na2SiF6
BeF2 + Mg
Mg
1550 K
CaCO3⋅ MgCO3
MCl2 + 2 e-
BeF2 .....
Be + MgF2
ΔT, - CO2
2CaO + 2MgO + FeSi
Mg,Ca, Sr, Ba
ΔT
1450 K
CaO + MgO
2Mg + Ca2SiO4 + Fe
M + 2 Cl-
(Elektrolyse)
Erdalkalimetalle - Verwendung
Beryllium
Vorsicht bei der Verwendung! Beryllium und dessen lösliche
Verbindungen sind extrem toxisch!
Sehr hoher Schmelzpunkt (1560 K)
Verwendung in Flugzeugen, Raketen, Satelliten.
Ausserdem: Röntgenröhren, Kerntechnik aufgrund der niedrigen
Elektronendichte und somit einer geringen Absorption von
elektromagnetischen Strahlen und Neutronen.
Beryllium-Kupfer-Legierungen:
•Leitfähig.
•Hart.
•Korrosionsbeständig.
Erdalkalimetalle - Verwendung
Magnesium
•Legierungen mit Al: Flugzeugbau, Autos, Leichtmetallwerkzeuge.
•Feuerwerkskörper.
•Essentieller Bestandteil des Chlorophylls.
Erdalkalimetalle - Verwendung
Calcium:
Metall:
•Legierungen mit Blei.
•Reduktionsmittel zur Herstellung von Thorium, Uran, Vanadium.
Halogenide:
Oxide:
CaCl2
Streusalz im Winter in den USA (exotherme Wasseraufnahme +
thermodynamischer Effekt).
CaO, Ca(OH)2, CaO⋅MgO, Ca(OH)2 ⋅MgO, Ca(OH)2 ⋅ Mg(OH)2
•Jahresproduktion: 118000 Miot.
•Solvay-Prozess (Glasproduktion, Stahlproduktion).
•Mörtel
•Kalk und gebrannter Kalk.
Erdalkalimetalle - Verwendung
Mörtel:
CaO (s) + H2O (l)
gebrannter Kalk
Ca(OH)2 (susp.)
Achtung:
Wärmeentwicklung
gelöschter Kalk
Ca(OH)2 (s) + CO2
CaCO3 (s) + H2O (l)
(+ Sand - Bindemittel)
Bildung von Ethin:
CaO + 3 C
CaC2 + 2 H2O
CaC2 + CO
Ca(OH)2 + C2H2
Erdalkalimetalle - Verwendung
Strontium:
Barium:
•In Glasscheiben von Fernsehern zur Reduzierung der
Röntgenstrahlen (75 %) als SrO.
•Feuerwerk (rot).
•Magneten.
•Bohrflüssigkeiten, Bohrspülmittel.
•Kontrastmittel in der Radiologie (Absorbiert Röntgenstrahlen)
Erdalkalimetalle – Chemische Eigenschaften
Sonderstellung des Berylliums:
•Kleiner Radius des Be-Atoms und des BeII-Ions (rBeII = ½ rMgII ).
•Stark polarisierende Wirkung des BeII-Ions Î kovalenter Charakter
der Verbindungen.
H
2,2
Li
1,0
Be
1,6
B
2,0
C
2,6
N
3,0
O
3,4
F
4,0
Na
0,9
Mg
1,3
Al(III)
1,6
Si
1,9
P
2,2
S
2,6
Cl
3,2
K
0,8
Ca
1,0
Ga(III)
1,8
Ge(IV)
2,0
As(III)
2,2
Se
2,6
Br
3,0
Rb
0,8
Sr
0,9
In(III)
1,8
Sn(II)
1,8
Sn(IV)
2,0
Sb
2,1
Te
2,1
I
2,7
Cs
0,8
Ba
0,9
Tl(I)
1,6
Tl(III)
2,0
Pb(II)
1,9
Pb(IV)
2,3
Bi
2,0
Po
2,0
At
2,2
d-BlockElemente
Erdalkalimetalle – Chemische Eigenschaften
M + X2
Reaktion mit Halogenen:
Reaktion mit N2:
Reaktion mit O2:
2 MX2
3M + N2
M3N2
2M + O2
2 MX
8M + S8
Reaktion mit Schwefel:
Reaktion mit Wasserstoff:
M + H2
8MS
MH2
(salzartige Hydride)
(M = Ca, Sr, Ba – Mg nur unter hohem Druck)
Reaktion mit Kohlenstoff::
M + 2C
(M = Mg, Ca, Sr, Ba)
MC2
CaC2: Zur Produktion von Acetylen im
grosstechnischen Masstab.
Erdalkalimetalle – Halogenide
Be-Halogenide:
Kovalente Verbindungen!
Mg-, Ca-, Sr-, Ba-Halogenide:
BeCl2
2BeO + CCl4
Hochschmelzende Salze!
1070 K
2BeCl2 + CO2
Gasförmig – linear/monomer
Fest – gewinkelt/polymer
BeCl2 ist eine Lewissäure (Elektronenpaar-Akzeptor).
Erdalkalimetalle – Oxide / Peroxide / Hydroxide
Oxide:
ΔT
Be + O2
ΔT
MCO3
Peroxide:
MO2
MgCO3 + H2O2
BeO
MO + CO2
(M = Mg, Ca, Sr, Ba)
(M = Mg, Ca, Sr, Ba)
MgO2 + H2O + CO2
MgO2: Verwendung in Zahnpasta
Stark oxidierende Eigenschaften: MO2 Î MO + ½ O2
Erdalkalimetalle – Oxide / Peroxide / Hydroxide
Hydroxide:
I
Amphoter
Basisch
M(OH)2
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
2
He
1.
1
H
2.
3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
3.
11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
4.
19
K
20
Ca
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
5.
37
Rb
38
Sr
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
6.
55
Cs
56
Ba
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7.
87
Fr
88
Ra
Amphotherie: Löslichkeit sowohl in Säuren als auch in Basen, d.h. eine amphotere
Verbindung kann sowohl Säure- als auch Basenverhalten zeigen.
Erdalkalimetalle – Salze der Oxosäuren
Permanente Wasserhärte:
z.B. CaSO4; MgSO4
Temporäre Wasserhärte:
Ca(HCO3)2 (aq)
CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)
Durch Erhöhung der Temperatur wird das CO2 ausgetrieben und das
Gleichgewicht nach rechts verschoben Î Kalkablagerungen!
Wasserenthärtung:
•Phosphate (früher).
•Zeolite – Einlagerung in Kavitäten(heute).
Erdalkalimetalle - Komplexchemie
[Ca2{N(SiMe3)2}2 {μ-N(SiMe3)2}2
Porphyrin
Chlorophyll A
Ca9(μ3-O)8(μ-O)8O20
Theorie - Molekülsymmetrie
Trigonal Planar
Aber: Reicht es aus,
um die Form eindeutig
zu charakterisieren?
Die Molekülsymmetrie wird durch die Gruppentheorie theoretisch erfasst!
Gruppentheorie zur Vorhersage von:
•Aufstellung von Molekül und Hybridorbitalen.
•Interpretation von spektroskopischen
Beobachtungen.
•Entscheidung über Chiralität.
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation
“Eine Symmetrieoperation ist eine
Operation, die ein Objekt nach ihrer
Ausführung in eine Konfiguration
überführt, die mit der ursprünglichen
Konfiguration deckungsgleich und
nicht von ihr zu unterscheiden ist.”
Symmetrielemente
“Eine Symmetrieoperation wird an
Punkten, Linien oder Ebenen, den so
genannten Symmetrieelementen
durchgeführt.”
Punktgruppe
Objekte (z.B. Moleküle) werden
gemäss der vorhandenen
Symmetrieelemente in
Punktgruppen eingeordnet werden.
Charaktertafel
Jede Punktgruppe besitzt eine
Charaktertafel, welche sich durch
Anwendung der Gruppentheorie
ergibt. Aus den Charaktertafeln
ergeben sich Orbitale und
spektroskopische Eigenschaften.
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation – Drehung um eine n-zählige Achse:
Erinnerung: Nach Durchführung der Operation darf sich die
Konfiguration nicht von der ursprünglichen Konfiguration nicht
unterscheiden lassen.
Drehwinkel = 120° = 360°/n
Hier: n = 3 Î “Das Molekül besitzt eine 3-zählige Achse.”
Eine 3-zählige Achse wird durch C3 abgekürzt!
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation – Drehung um eine n-zählige Achse:
Ausserdem, die Drehung um 360° nennt man Identitätsoperator – E.
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation – Spiegelung an einer Symmetrieebene
Symmetrieelement = Symmetrieebene σ
Symmetrieebene steht senkrecht zur
Hauptdrehachse Î σh
Symmetrieebene steht senkrecht zur
Hauptdrehachse Î σv
Die Hauptdrehachse ist die Achse mit der höchsten Zähligkeit!
Theorie - Molekülsymmetrie
σh
σv
σh
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation – Spiegelung an einem Symmetriezentrum
Symmetrieelement = Inversionszentrum i
Theorie - Molekülsymmetrie
Symmetrieoperation – Drehung um eine Achse gefolgt von einer
Spiegelung an einer Ebene senkrecht zu dieser Achse.
Symmetrieelement = n-zählige Drehspiegelachse Sn.
Theorie - Molekülsymmetrie
Folgeoperationen
Um die exakt gleiche Konfiguration zu erreichen muss z.B. eine C3Operation 3-mal durchgeführt werden - C33. Dies entspricht E.
Beispiel: Drehspiegelachse.
S3 = C3 × σh